JPS586900B2 - メンノセツシヨクアツリヨクブンプオシジマタハソクテイスルホウホウオヨビソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は面の接触圧力分布を指示または測定する方法お
よび装置に関する。

現在、接触圧力分布の測定は電子式または機械式圧力ト
ランスジューサにより行われているが、多くの欠点があ
る。

例えば、これらトランスジューサの多くは大型であり、
また倭小化しでもその電気および機械接続に起因し、限
られた空間で用いるようにすることはやはり困難である
。

また、トランスジューサを導入すると接触面の局部的な
剛性の変化が生じ、測定に影響する恐れがある。

また、周知の電子式および機械式圧力トランスジューサ
では、一般に、大きい面全体にわたり圧力分布を同時に
測定できない。

最後に、かかる周知の装置は製造費が非常に高く、しか
もその操作と保守に高度の技術者を必要とする。

本発明の一目的は、接触圧力分布を指示または測定する
ための、上記の点で有利な、新しい方法および装置を提
供することである。

本発明の方法と装置は、圧力を加える全接触面にわたる
接触圧力分布を、静的条件および動的条件下で、観察し
写真記録する新しい干渉技術により接触圧力分布を指示
または測定する。

この新しい技術は接触圧力分布フィールド全体を検査で
き、また、この検査を比較的に簡単で安価な装置により
行うのを可能ならしめる。

しかして、本発明は、現在用いらわている電子式または
機械式圧力トランスジューサの上記欠点を実質的に除去
する。

部品や構造体の応力を指示または測定するのに従来用い
られている光弾性材料は応力を受けるとその光学特性、
即ち屈折率を変化する性質を有する。

光学特性の変化は発生する応力の大きさに依存する。

応力を受けた材料を通る偏光波か分裂して個々のビーム
になシ、各ビームは主応力方向に沿って振動し、また各
ビームはそれぞれ異なる速度で進行する。

応力によりこれら二本のビーム間に「移相」が生じ、そ
の結果、表示かつ記録できる光学干渉縞が生じる。

しかして、かかる光学的に感応する材料に圧力を加えて
偏光を当てて観察すると、生じる応力は着色した干渉縞
として見られ、かかる干渉縞は全体の圧力分布を指示す
るものと解釈できかつ応力の方向と大きさの正確な測定
値を与えるものと解釈できる。

従来、光弾性シートは実質的にシートの面と共平面内の
力により材料に生じた応力、即ちインープレーン（ ｉ
ｎ−ｐｌａｎｅ ）応力を測定するのに用いられている
。

例えば、これらの光弾性シートはギヤ、エンジンブロッ
ク、圧力容器等の如き部品や構造体の模型の応力分布を
測定するのに用いて例えば応力集中の場所を指示する。

ゴ般に、本発明は、材料に対して垂直な圧力を材料と共
平面状のインープレーン圧力に変換する手段を設けるこ
とにより、面の接触圧力分布を指示または測定するため
にこれらの光弾性材料を利用する。

これは、一面が被測定接触圧力を受け、反対面が光弾性
部材へ複数個の局部点の形態の接触圧力を伝達する複数
個の点接触突起を含んだ圧力伝達部材を用いて行う。

光弾性部材は剛性透明板、例えばガラスにより支持され
これと圧力伝達部材との間に挾持され、垂直圧力をイン
ープレーン圧力に変換する。

インープレーン応力により生じた光学特性の変化は明瞭
に見ることができ、圧力伝達部材へ付与される面接触圧
力の分布を指示する。

本発明の方法と装置は、生物力学的応用、例えば人が直
立、着席まだは背中でもたれているときに、静的および
動的な接触圧力分布を正確に測定するのに特に有益であ
る。

かかる一用途としては人の足と地面との間の圧力分布を
静的条件下（即ち、人が立っているとき）および動的条
件下（即ち、人が歩いているとき）で測定することであ
るかかる測定は多くの型の足の欠陥を診断するのに非常
に有益である。

またこの技術は人工足裏部材から人工四肢や歯列矯正器
にわたるあらゆる型の整形外科器具の系統的設計に必要
な定量的情報を与えるのにも使用できる。

また本発明は着座またはもたれ姿勢のための椅子の諸物
材、寝具およびサポート人工補整の各種塑のものを設計
するのに使用できる。

本発明は人の足と地面との間の圧力分布を測定するのに
特に有益であるから、この用途について後述するが、い
くつかを次に述べる他の多くの用途にも有利に使用でき
ることは理解されよう。

故に本発明によれば、面の接触圧力分布を指示または測
定する方法が提供され、この方法は複数個の局部的な点
の形態の光弾性部材へ接触圧力を伝達するのに有効な複
数個の点接触突起を有する圧力伝達部材を介して光弾性
部材へ圧力を伝達し、この光弾性部は圧力を受けたとき
にその光学特性が変化する如きものになし、光弾性部材
の光学特性の変化を光学的に表示することを特徴とする
。

本発明の他の広い観点によれば、圧力を受けたときに光
学特性が変化する光弾性部材を設け、一面が接触圧力を
受けるようになされかつ他面は光弾性部材へ複数個の局
部的な圧力点の形態の接触圧力を伝達するのに有効な複
数個の点接触突起を含むようにした圧力伝達部材を設け
、光弾性部材の光学特性の変化を表示する手段を設けて
なる面の接触圧力分布を指示または測定する装置が提供
される。

後述する本発明の好適実施例においては、前記手段は光
を光弾性部材へ指向する光源と、光弾性部材により受け
られる光源からの光を偏光する円偏光子とからなる。

また、この装置は突起に面する光弾性部材の側に反射器
を含み、光弾性部材の対側は光源および偏光子に面する
ようにする。

また、後述の実施例では、光弾性部材および偏光子は剛
性透明板の一面に支持され、光源は剛性透明板の反対側
に配置される。

改変例によれば、この装置は偏光子と剛性透明板との間
の透明弾性シートを含み、前記透明弾性シートは偏光子
を中に挾んで光弾性部材とサンドインチを形成する。

好ましくは、透明弾性シートは光弾性部材と同じ材料で
ある。

本発明のなお他の特色によれば、圧力伝達部材に担持さ
れた点接触突起は光弾性部材と接触した丸い先端を有す
る。

これらの突起は放物線形、球形あるいは円錐形等になし
うる。

本発明の他の観点によれば、圧力伝達部材は着用者の足
裏における着用者の重量の圧力分布を測定するために靴
底の形状である。

本発明の他の特長によれば、靴底形圧力伝達部材は靴底
に組み込まれてその一部を構成する。

本発明の他の特徴と利点は以下の記載から明らかになろ
う。

図示の装置は人の足の底面における圧力分布を測定する
のに特に有益である。

この圧力分布は一般にＰＤで図示（第１図）されている
。

圧力は可撓性圧力伝達部材２の上面２ａ（第３図）に加
えられる。

圧力伝達部材２の反対面は２ｂで示され複数個の点接触
突起２ｃが形成されている。

本発明の記述される実施例では、圧力伝達部材２は第２
図に示す如く靴底の形状である。

圧力伝達部材２の下には圧力伝達部材２の突起２ｃと接
触した光反射被覆４ａを上面に担持したシートの形態の
光弾性部材４がある。

光反射被覆４ａ以外は光弾性部材４は透明である。

光弾性部材４の下には光弾性部材へ指向されそして戻る
光を偏光する円偏光子６がある。

圧力伝達部材２、光弾性部材４、および偏光子６はすべ
て、ガラスまたは透明プラスチックの如き比較的に剛性
の透明板８に支持される。

なお、プラスチックを用いると形成が容易であり、また
所望であれば板を彎曲するのを可能にする。

透明板８の下部には半反射器またはビームスリツタ１０
がある。

これは光源１２からの光を光弾性部材４へ通過させる。

部材１０は光弾性部材からの光を反射し、これにより生
じた干渉縞を目で観察しまたはカメラ１４により記録す
る。

第１図に示した装置は次の如く操作する。

即ち検査を受ける人は自分の足裏を圧力伝達部材の上面
２ａに接触させた状態で靴底形圧力伝達部２の上に立つ
。

故にこの人の体重は第１図の圧力表ＰＤにより示される
如く部材２の全面２ａに分布される。

圧力伝達部材の下面２ｂの突起２Ｃは光弾性部材４の上
面と接触しているから、光弾性部材４の面４ａとの突起
の接触点における局部的圧力点の形態で光弾性部材へ圧
力を伝達する。

光弾性部材は圧力伝達部材と剛性透明板８との間で圧迫
されるから、局部的圧力点は各圧力点における光弾性部
材のインープレーン圧力に変換される。

源１２からの光は半反射鏡またはビームスプリッタ１０
、支持透明板８、偏光子６、および光弾性部材４を通り
、部材４０反射被覆４ａによシ反射されて光弾性部材、
偏光子、および透明支持板を通って戻る。

次いで光はビームスプリツタ１０により反射され、カメ
ラ１４で記録されるがまたは目で観察される。

故に光弾性部材４に生じかつ目で観察されまたはカメラ
１４により記録さわる干渉縞は圧力伝達部材２の面２ａ
における接触圧力の指示または測定値になる。

面２ａに付与される垂直圧力を光弾性部材４のインープ
レーン応力に変換する圧力伝達部材２の下面２ｂの点接
触突起２ｃはいろんな形状にすることができ、また特定
の用途に応じていろんな模様に配置できる。

第１〜３図に示す応用では、中心距離１０ｍｍで配置さ
れた４ｍｍの突起を有する放物線形である。

しかし、他の用途では、他の形状、例えば球形、１たは
円錐形になしうる。

圧力が高い場合、光弾性部材との接触面は通常更に丸め
られる。

しかし、低圧測定では、光弾性部材との接触面はより鋭
くなし、かつ間隔を狭くする。

使用しうる光弾性部材４の一例は商業的に入手可能々エ
ポキシまたはポリカーボネート光弾性材料の３ｍｍ厚シ
ートであり、使用しうる可撓性圧力伝達部材２の一例は
２ｍｍ厚の可撓性皮であり、突起２ｃはメタアクリレー
ト樹脂の如き硬質プラスチックまたは金属から作られる
。

また圧力伝達部材は検査用靴に組み込むことができる。

これは第４図に示され、検査用靴２０は靴底の如き圧力
伝達部材２２を含んでいる。

しかして、検査を受ける人は自分の足を靴に入れ、光弾
性部材２４を踏めばよく、光弾性部材は偏光子２６と共
に剛性透明板（第１図の８、ただし第４図では示さず）
に支持され、しかして、靴底面における圧力分布模様を
第１〜３図の構成における如く目で観察しまたは記録で
きる。

好ましくは、接触圧力分布は二つの靴２０を着用するこ
とにより人の両足に対して同時に検査される。

この装置は静的条件下（即ち、使用者が立っているとき
）のみならず、動的条件下（即ち、使用者が歩いている
とき）での圧力分布測定にも使用できる。

特に後者の用途では、部材２２とのサンドイツチとして
光弾性部材２４および偏光子２６を靴へ含ませて靴底を
構成することもできる。

その場合、使用者は透明支持板上を歩けばよく、この動
的条件下で接触圧力分布模様を観察または記録できる。

これらの模様を記録するとき、静止カメラの代リに映画
カメラが使用されよう。

光弾性部材の感度は適当な剛性と厚みの材料を用いるこ
とにより、いかなる特定の用途にも容易に適合できる。

なお、サンドイツチ構造は偏光子を間にして光弾性部材
と別の透明弾性シートを含むことにより適当な剛性およ
び（または）厚さを得るのに使用できる。

かかるサンドイッチ構造が第５図に示され、偏光子３６
は光弾性シート３４（反射器３４ａと反対の面上）と別
の透明弾性シート３７との間に狭持されてｂる。

シート３７の光弾性は利用されないかやはシシート３４
と同じ材料を用いるのが好ましい。

上記すべての構造において、好ましくは被覆または薄い
シートである光反射器以外各種部材間にスリップがなけ
ればならない。

スリップはタルカムパウダを軽く塗布することにより容
易に生せしめることができる。

特にサンドイッチ構造が用いられる場合、圧力伝達部材
および光弾性部材は圧力分布を測定せんとする曲面、例
えば足の弧に合せて彎曲させることができる。

上述した方法および装置は足の欠陥を診断しこれらの欠
陥を治療すべく整形外科用靴を作るデータを与えるのに
非常に有益であるが、本発明は多くの他の用途がある。

各用途の主な特徴は、圧力を付与し測定する形状と面積
を含む特定の目的；および上記要件に従って設計された
光弾性部材またはサンドイッチの感度および点接触突起
の形状である。

かかる用途としては、例えば生物力学および筋肉学にお
いては、人の手の能力の解析；人の体重の分布；人と機
械の接触の問題；および作業またはスポーツにおける人
と地の接触がある。

機械工学の分野では、例えば、着陸時の航空機または自
動車のタイヤの接地圧力；および雪上車、そりまだはス
キーの接地圧力がある。

光源はカメラに隣接して配置できることは理解されよう
。

その場合、半反射鏡またはビームスプリツタ１０は簡単
な鏡になしうる。

また、光源をレーザとしたり、電気一光学またはホログ
ラフ技術（ ｈｏｌｏｇｒ．ａｐｈｉｃ ｔｅｃｈｎｉ
ｑｎｅｓ ）を用いて測定を行うこともできよう。

その他、本発明を各種改変したり応用できることも明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成した一形態の装置を示す図、
第２図は第１図の装置に用いる圧力伝達部材の平面図で
あって光弾性部材と接触する圧力伝達部材の面を示す図
、第３図は圧力伝達部材と光弾性部材の拡大断片断面図
、第４図は靴底に組み入れた圧力伝達部材を示す図、第
５図は偏光子を挾持した２個の光弾性部材を含むサンド
イッチ構造を示す図である。 図中、２は圧力伝達部材、２ｃは突起、４は光弾性部材
、６は偏光子、８は剛性透明板、１０は半反射鏡または
ビームスプリツタである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧力を受けたときに光学特性が変化する光弾性部材
   を設け、一面が接触圧力を受けるようになされかつ他面
   は光弾性部材へ複数個の局部的な圧力点の形態で接触圧
   力を伝達するのに有効な複数個の点接触突起を含むよう
   にした圧力伝達部材を設け、および光弾性部材の光学特
   性の変化を表示する装置を設けたことを特徴とする面の
   接触圧力分布を指示または測定する装置。